城市地下空间安全特色实验室构建研究

彭 瑞，李 健，赵启峰，王 琼

(华北科技学院 应急技术与管理学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

2019年11月中央政治局会议专门召开国家应急管理发展会议，并就我国应急管理体系和能力建设进行第十九次集体学习。习近平总书记对应急管理工作提出了一系列具体要求，包括“要健全风险防范化解机制，坚持从源头上防范化解重大安全风险，真正把问题解决在萌芽之时、成灾之前”，“要适应科技信息化发展大势，以信息化推进应急管理现代化，提高监测预警能力、监管执法能力、辅助指挥决策能力、救援实战能力和社会动员能力[1]”等。会议邀请清华大学薛澜教授汇报国内外应急管理发展情况、人才培养情况[2-5]，自此掀起了大国应急管理建设的序幕。习近平强调，打造应急管理一流学科、培养应急管理人才是实现大国应急管理的关键。会后，应急管理部提出了具体的应急管理学科发展目标，并针对应急管理人才培养做了专门的论述。

为了支撑应急管理学科发展，国内公共安全领域进行了不懈的探索，其中，关于安全城市建设，国内公共安全领域权威学者范维澄院士提出了“什么是韧性”、“安全韧性城市”、“城市公共安全三要素”、“城市安全韧性三角形模型”、“安全韧性城市科技支撑能力亟待提高”、“智慧安全韧性城市构建”“安全韧性城市的复杂性需要智慧应对”等一系列学术概念[6-9]。我国著名地下工程专家钱七虎院士指出[10-12]，提高城市韧性最有效的技术途径是向地下发展，并呼吁将国家重大战略资源合理规划到地下空间，以防战事发生，并提出具体方案，将变电站、公路和轨道交通网、深层隧道排污系统、地下岩洞、地下仓储、地下人行通道、综合管廊、废物处理、地下水库按纵向布局纳入地下空间中。

综述所述，加快城市安全方向发展是打造一流的应急管理学科、加快应急管理类人才培养的必要条件，本文围绕城市安全特色实验室为核心，从教学、科研、培训三个方面出发，打造城市地下空间安全特色实验室，重点围绕城市基础设施灾害与防护中心、城市交通应急指挥中心、城市灾害模拟推演系统，为打造具有应急特色的城市安全实验室，为建立健全应急管理学科研究方法提供思路。

1 城市基础设施灾害与防护中心

1.1 建设背景与思路

1.1.1 建设背景与必要性

随着我国城市规模不断扩大，千万级人口特大城市不断增多，城市病日益突出。其中，地下基础设施遇灾是大城市最迫切需解决的问题，通过对基础设施灾害进行监测与防护的系统性实验，针对城市基础设施灾害与防护开展研究，为大城市病找到解决方案。

1.1.2 存在问题及技术难题分析

难题一：城市地下管线、综合管廊基地等城市生命线建设一直是大城市首当其冲需要解决的安全性问题。如何实现动态监测、判断风险源，模拟事故发生及其救援，是目前城市生命线研究的关键之处。

难题二：对城市重点地下工程的灾害与防护进行系统性设计，首先实现城市常态场景下的安全规划、设计、施工；其次，针对灾害场景特别是战争灾害，实现平战结合，设计避灾系统，对有限空间环境监测，也是未来城市安全管理的难题。

1.2 建设内容及设备

1.2.1 城市地下管线、管廊虚拟实验系统

城市地下管线、管廊实验虚拟基地：①地下管线事故模拟实验平台；②地下管廊事故模拟平台。

功能：①动态监测管线(燃气、热水、电力等)运行状态、事故发生情况，②动态监测管廊(各种类型管线综合体等)运行、事故发生情况。系统如图1所示。

图1 城市生命线关系系统设计

1.2.2 城市工程灾害与防护系统设计

桥梁工程是城市生命线、交通运输的重要环节，承担了高速公路、城市公路的繁重任务，也是“两客一危”的直接承载体。隧道工程是城市综合管廊布置、地铁工程的基础，隧道盾构掘进成本每米10万，对应支护成本达到2～3万，遇到复杂地层成本更高，如何实现复杂地层隧道安全性掘进、支护是地下工程重要课题之一，本实验室建设中设计桥梁工程灾害与防护系统，可实现一定的社会效益、经济效益。

(1) 岩土工程灾变模拟系统：模拟高温高压岩石综合测试系统，可做复杂应力路径下岩土类材料在多相耦合试验条件下(超高温、超低温、高压、渗流等模块)稳定性分析，模拟最大加载吨位200吨。

(2) 城市建筑材料力学分析试验模拟系统：涉及实验包括：土抗渗试验；建筑材料动态疲劳试验；混凝土材料点载荷试验。功能包括：混凝土试件长期恒定内压下的耐抗渗漏性能测定；岩土类材料的疲劳临界值测试、抗疲劳强度测试；多点荷载、温控模块条件下混凝土材料力学性质。

(3) 地下工程稳定性测试试验模拟系统：

涉及实验包括：环形加载试验；巷道锚喷支护模拟试验。

地下有限空间环境监测：一是环境监测具有综合性，二是环境监测具有连续性，三是不同污染单向的影响权重不同。可采用单元面积法，即用直线将城市划分成若干个面积相等的方格，测定各单位面积内各种环境要素的环境质量(指数值或等级值)、编制分布图，为下一步决策与预警提供参考。根据环境监测内容与任务，将建立新时代环境监测系统，主要服务于环境管理，进而转化为智慧城市的有机组成部分。新时代环境监测系统主要由“感知端”、“传输端”、“应用端”三层组成。

图2 地下避灾硐室救援系统

2 城市轨道交通风险监测与应急救援指挥中心

2.1 建设背景与思路

2.1.1 建设背景与必要性

我国大城市轨道交通建设突飞猛进，相比较而言，安全管控相对滞后。在北京、上海、广州、深圳此类特大城市，轨道交通市城市正常运转的基础，维持轨道交通路网的正常运行和突发事件处置的意义重大。轨道交通突发事件等级划分及应急处理综合对策和方法的前提是网络化影响规模范围、程度及分布等各要素的确定。由于轨道路网空间形态、结构及环境的差异，从性质、形态和程度各方面来看，在不同区域发生的不同类型突发事件的影响模式、演化特点和规模分布等都是不同的，变化和组合形式较多，判断突发事件等级难度较大，在实际工作中往往采用“规模较大，范围较广”等进行描述，难以做到清晰化和准确化，不利于突发事件协同处置。从相关的研究来看，立足于复杂网络和控制论角度对城市轨道交通突发事件的网络化影响和协同处置方法进行研究的文献较少，现有研究中多从图论的角度对城市道路路网空间结构一些简单传统的静态参数或网络结构优化进行计算，考虑的结构比较简单，还属于网络静态特征分析范畴。对于城市轨道网络的复杂性，尤其是列车流、客流在这种复杂网络中的相互影响作用方面的研究还基本属于空白，还无法面向工程应用。面对城市轨道交通安全管控和应急处突智慧化、信息化的迫切要求，亟需开展此领域实验室建设和相关科研工作。

二是救援现场空间封闭，救援力量无法快速抵达。

我国目前城市轨道总里程已经达到6300 km，地下线5180 km，占比76%，救援空间封闭狭窄。车站站型复杂多样，救援环境差异性大，结构复杂。

三是城市轨道交通突发事件伤亡风险高，救援条件复杂、决策要求急(时间短，精度高，决策准)。

2.1.2 存在问题及技术难题分析

(1) 地下车站常态大客流聚集，风险具有隐蔽性、复杂性和反复性特征，防控难度较大，需要从产生和传播的机理方面发现规律，掌握行人流在不同设备设施与通行空间内的物理特征。

(2) 按照复杂拓扑结构分解来看，车站是一个典型的非线性系统，在客流集散过程中，需要掌握车站在不同客流压力下的承载和相应的安全状态。

(3) 应急预案多为文本化形式，如何与信息化结合，建立适应于不同场景的知识库、专家库，需要结合运力下降、地外伤害、电力信号故障等各类场景进行整体梳理，形成决策支持的基础。

2.2 建设内容

2.2.1 场景设计

本实验室建设聚焦城市轨道交通这一典型领域，以智慧轨道车站客流承载与疏散风险模拟与计算为本期重点，围绕轨道交通中车站大客流风险的承载极限、集聚状态、疏散水平、通行能力、交汇风险、应急救援等多种场景，打造集成科研、教学、实验多目标为一体的综合实验室，为智慧城市轨道交通的车站设计、风险模拟与计算、应急救援提供智慧化、智能化、数据化、可视化的决策支持。

2.2.2 实现功能

(1) 车站安全性设计

地铁工程BIM实训系统，功能：建立基于BIM系统的地下空间从地质勘察建模—计算建模—计算优化—地下工程设计—安全监测监控一体化的地下空间三维信息化系统实验室。

(2) 不同类型车站客流风险自动化识别。

(3) 车站风险状态自动化推演及预测。

(4) 车站风险运行安全体征指数计算与可视化传达。

(5) 车站风险状态自学习及主动预警。

2.3 风险场景库构建与计算功能

2.3.1 风险数值模拟仿真场景

行人库：适合机场航站楼、地铁站、商场等大规模客流场景，允许用户准确地进行建模，可视化和分析人群在物理环境中的行为。

轨道库：适合地铁车站行人、车流风险模拟等场景。

指挥场景包括风险计算、风险辨识与评估以及风险联席评估与商讨。风险辨识与评估交互式平台，实现轨道交通车站风险的数值化显示、图形化显示，支持进行轨道交通车站大客流风险的可视化推送及多方联合评估。

城市轨道交通沙盘(特定城市模型定制)：线网布局及车站布局，周边环境，地图。

表1 地下空间三维信息化系统实验室建设

图3 城市轨道交通车站风险多维体系

2.3.2 风险数值模拟计算主体功能

在评估轨道交通车站大客流聚集及通行过程中可能存在的拥挤、踩踏风险时，加载常态大客流、突发事件大客流、大型活动大客流等多种场景，对车站容量和吞吐量进行模拟、发现行人瓶颈并对疏散计划进行评估与计算(支持大于5万人在站量，或1000人/min的进站量、出站量、换乘量规模的在线仿真，计算时长不大于20 s)。

客流按照仿真的物理规则移动，可以预先指定个体特征、偏好和状态。行人库的工具套件包括流量密度图、行人计数器和用于计算等待和服务时间的元素。

智能体：提供参数、变量、集合、事件、函数等基本的智能体组件，提供状态图组件便于搭建智能体状态变化的逻辑。

系统动力学：提供构成系统动力学模式结构的主要组件，例如存量、流量、动态变量，贝斯扩散模型等。

2.3.3 应急救援实验室主体功能价值

(1) 生产直接应用方面：为了应对区域内轨道交通的突发事件，必须进行快速的有效的处置，而生成数字化的应急预案是应急处置的第一步，通过本平台，能够动态生成区域轨道交通数字化应急预案并进行展示，直接服务与各大城市轨道交通应急调度指挥。

(2) 科研方面预计产生的价值：通过大量场景的模拟仿真，不断进行模型和算法的优化，同时可以根据各城市地理形态与轨道交通路网结构的不同，结合具体的空间特征，可以将此系统通过剪裁、复制的方式，向各城市进行推广应用。

(3) 教学方面的价值：通过此平台，可以模拟在轨道交通系统中任意空间(区段、车站、场段)、任意时间(高峰、平峰、早发车、晚收车)、任意场景(运力下降、第三方伤害、机电故障、信号故障、车辆故障)的事件或灾害的影响，实现交互式和动感式教学；同时可以通过模拟实现运营控制与指挥。

3 城市突发事件模拟平台

3.1 实验室建设背景和必要性

随着我国经济高速发展，城镇化规模不断扩大，城市诸多安全问题逐渐暴露出来，相比城市地上空间，地下空间事故灾害的危害程度要高得多。当城市地下空间发生突发事故时，空间狭小、通讯信号弱、地下结构内部复杂等因素造成救援难度大，救援成功率低。因此，为最大程度降低地下空间突发事件造成的损失，不仅要加强地下建筑结构的安全设计，还需要有科学合理的应急管理措施和救援规划准备。

城市突发事件情景构建和社区网格化精细管理在城市地下空间突发事件预防和应急管理方面具有很好的应用前景。鉴于此，城市灾害模拟平台将围绕着城市地下空间突发事件应急救灾情景构建模块和城市社区网格化精细管理推演模块开展建设工作。其中城市地下空间灾害应急救灾情景构建模块是利用虚拟仿真技术、数据分析技术和3D动态演化等技术构建面向城市地下空间灾害应急处置和救援演练的数据可视化与虚拟仿真辅助决策平台，可实现对城市地下空间灾害情景可视化和事故应急指挥和救援演练。通过该虚拟演练平台，学生可身临其境地感知事故现场并快速、高效地做出应急救灾对策。城市社区网格化精细管理推演模块则是基于数字化智能分析系统，线上对城市管理辖区网格化细分和风险排查推演，实现城市社区科学精细化管理。

该实验室建设基于培养城市安全工程方向高素质实战型人才总体目标，兼顾理论知识辅助教学需求，围绕城市安全最前沿技术开展建设。通过实验激发学生学习的积极性和主动性，加深学生对理论知识理解，提升学生城市地下空间突发事件应急救灾实战能力，如风险排查能力、应急预案编制能力、突发事件应急决策能力、沟通协调能力、城市社区网格精细化管理能力。城市突发事件模拟实验室为城市安全工程专业《城市安全管理学》、《城市社区安全》等课程设计、城市安全综合实训提供了实践场地，对提高城市安全工程专业实践教学质量、培养满足社会需求的“大应急”高素质实战型人才的需求具有重要意义。

3.2 实验室建设内容

3.2.1 基础数据收集及数据库建设

建立案例城市典型区域不同灾害情景构建基础数据库，如基础地理数据库(行政区域、交通、水系、地形等)、灾害场景基础数据库(地上地下建筑物、生命线等)、应急对策情景分析基础数据库(应急资源、避难场所等)、救援情景分析基础数据库(救援资源等)、应急准备能力评估基础数据库，为城市灾害场景、应急对策情景分析与构建、救援情景分析与构建、应急准备能力评估构建提供基础数据支撑。

3.2.2 建立城市地下空间突发事件情景案例库

基于历史案例中真实的城市地下空间突发事件信息、应急资源储备信息，还原城市重大突发事故如危化品爆炸、地下空间施工事故、地下空间塌陷等突发事件情景，对突发事件情景关键要素进行详细描述，采用三维模拟仿真技术或3D动画演示等形式对不同突发事件情景事件进行展示，形成灾害情景案例库。

3.2.3 城市地下空间突发事件情景构建演练系统

基于系统提供的假定灾害情景，学生们可在三维立体的虚拟环境中通过角色扮演进行同步协同演练，根据事故发生的时间、地点、类型和覆盖范围，选择不同的应急预案进行救援仿真演练。该演练系统可直观高效地呈现风险分析、预警及信息报送、预案选择、指令下达、应急演练、人员疏散演练等过程。同时，该演练系统还具备自动记录学员操作轨迹，对学员应急演练效果进行评估和智能化考核评分的功能。

3.2.4 城市社区网格化精细管理推演系统

城市社区网格化精细管理推演系统可为学生提供一个线上社区网格化划分实操平台，通过该平台，学生可调阅网格区域内社区的信息资料，并监测每个社区系统的运行情况，同时根据社区的实际情况对其进行科学合理的网格划分。结合线下综合实训，学生可对负责的网格区域内的安全基础信息进行调查、统计、宣传、应急处理等基础工作。

3.3 实验室建设所需设备

硬件部分：电脑、可移动学生实验桌、实验椅、投影仪。

软件部分：突发事件情景模拟软件、城市社区网格化精细管理推演软件。

4 结论

(1) 探索城市安全实验室建设思路，以城市基础设施、交通运输、社区管理为模块，构建城市公共安全体系，守护城市生命线工程，打造韧性城市。

(2) 城市基础设施模拟系统，主要围绕城市地下空间、桥隧结构等城市生命线工程，辅助分析建筑材料力学性能，构建城市基础设施灾害与防护实验室。

(3) 交通运输应急指挥中心，以城市地下轨道交通为研究对象，重点在软件、信息化两个角度布局，利用BIM进行车站安全性设计，结合Gis系统分析车站人流分布模型，建立人流疏导系统。

(4) 城市灾害情景重构实验室，重点是建立城市灾害数据库，二次开发数值分析软件模拟城市灾害，推演灾害发生机理和扩大趋势，提出应急救援方案。